Conception, caractérisation et optimisation de SPAD en technologie Dalsa HV CMOS 0.8 μm pour intégration dans un 3D-SiPM

Résumé : Les photodiodes à avalanche monophotonique (SPAD) sont d'intérêts pour les applications requérant la détection de photons uniques avec une grande résolution temporelle, comme en physique des hautes énergies et en imagerie médicale. En fait, les matrices de SPAD, souvent appelés photomultiplicateurs sur silicium (SiPM), remplacent graduellement les tubes photomultiplicateurs (PMT) et les photodiodes à avalanche (APD). De plus, il y a une tendance à utiliser les matrices de SPAD en technologie CMOS afin d'obtenir des pixels intelligents optimisés pour la résolution temporelle. La fabrication de SPAD en technologie CMOS commerciale apporte plusieurs avantages par rapport aux procédés optoélectroniques comme le faible coût, la capacité de production, l'intégration d'électronique et la miniaturisation des systèmes. Cependant, le défaut principal du CMOS est le manque de flexibilité de conception au niveau de l'architecture du SPAD, causé par le caractère fixe et standardisé des étapes de fabrication en technologie CMOS. Un autre inconvénient des matrices de SPAD CMOS est la perte de surface photosensible amenée par la présence de circuits CMOS. Ce document présente la conception, la caractérisation et l'optimisation de SPAD fabriqués dans une technologie CMOS commerciale (Teledyne DALSA 0.8µm HV CMOS - TDSI CMOSP8G). Des modifications de procédé sur mesure ont été introduites en collaboration avec l'entreprise CMOS pour optimiser les SPAD tout en gardant la compatibilité CMOS. Les matrices de SPAD produites sont dédiées à être intégrées en 3D avec de l'électronique CMOS économique (TDSI) ou avec de l'électronique CMOS submicronique avancée, produisant ainsi un SiPM 3D numérique. Ce SiPM 3D innovateur vise à remplacer les PMT, les APD et les SiPM commerciaux dans les applications à haute résolution temporelle. L'objectif principal du groupe de recherche est de développer un SiPM 3D avec une résolution temporelle de 10 ps pour usage en physique des hautes énergies et en imagerie médicale. Ces applications demandent des procédés fiables avec une capacité de production certifiée, ce qui justifie la volonté de produire le SiPM 3D avec des technologies CMOS commerciales. Ce mémoire étudie la conception, la caractérisation et l'optimisation de SPAD fabriqués en technologie TDSI-CMOSP8G.

Retrofit de systèmes de revalorisation de chaleur industrielle à basse température par optimisation exergo-économique

Ce projet porte, dans un souci d’efficacité énergétique, sur la récupération d’énergie des rejets thermiques à basse température. Une analyse d’optimisation des technologies dans le but d’obtenir un système de revalorisation de chaleur rentable fait objet de cette recherche. Le but sera de soutirer la chaleur des rejets thermiques et de la réappliquer à un procédé industriel. Réduire la consommation énergétique d’une usine entre habituellement en conflit avec l’investissement requis pour les équipements de revalorisation de chaleur. Ce projet de maitrise porte sur l’application d’optimisations multiobjectives par algorithme génétique (GA) pour faciliter le design en retrofit des systèmes de revalorisation de chaleur industrielle. L’originalité de cette approche consiste à l’emploi du «fast non-dominant sorting genetic algorithm» ou NSGA-II dans le but de trouver les solutions optimales entre la valeur capitale et les pertes exergétiques des réseaux d’échangeurs de chaleur et de pompes à chaleur. Identifier les solutions optimales entre le coût et l’efficacité exergétique peut ensuite aider dans le processus de sélection d’un design approprié en considérant les coûts énergétiques. Afin de tester cette approche, une étude de cas est proposée pour la récupération de chaleur dans une usine de pâte et papier. Ceci inclut l’intégration d’échangeur de chaleur Shell&tube, d’échangeur à contact direct et de pompe à chaleur au réseau thermique existant. Pour l’étude de cas, le projet en collaboration avec Cascades est constitué de deux étapes, soit de ciblage et d’optimisation de solutions de retrofit du réseau d’échangeur de chaleur de l’usine de tissus Cascades à Kinsley Falls. L’étape de ciblage, basée sur la méthode d’analyse du pincement, permet d’identifier et de sélectionner les modifications de topologie du réseau d’échangeurs existant en y ajoutant de nouveaux équipements. Les scénarios résultants passent ensuite à l’étape d’optimisation où les modèles mathématiques pour chaque nouvel équipement sont optimisés afin de produire une courbe d’échange optimal entre le critère économique et exergétique. Pourquoi doubler l’analyse économique d’un critère d’exergie? D’abord, parce que les modèles économiques sont par définition de nature imprécise. Coupler les résultats des modèles économiques avec un critère exergétique permet d’identifier des solutions de retrofit plus efficaces sans trop s’éloigner d’un optimum économique. Ensuite, le rendement exergétique permet d’identifier les designs utilisant l’énergie de haute qualité, telle que l’électricité ou la vapeur, de façon plus efficace lorsque des sources d’énergie de basse qualité, telles que les effluents thermiques, sont disponibles. Ainsi en choisissant un design qui détruit moins d’exergie, il demandera un coût énergétique moindre. Les résultats de l’étude de cas publiés dans l’article montrent une possibilité de réduction des coûts en demande de vapeur de 89% tout en réduisant la destruction d’exergie de 82%. Dans certains cas de retrofit, la solution la plus justifiable économiquement est également très proche de la solution à destruction d’exergie minimale. L’analyse du réseau d’échangeurs et l’amélioration de son rendement exergétique permettront de justifier l’intégration de ces systèmes dans l’usine. Les diverses options pourront ensuite être considérées par Cascades pour leurs faisabilités technologiques et économiques sachant qu’elles ont été optimisées.

Optimisation thermodynamique d’un procédé solaire utilisant un système de réfrigération à éjecto-compression pour la production du froid

L’objectif essentiel de cette thèse est de développer un système industriel de réfrigération ou de climatisation qui permet la conversion du potentiel de l’énergie solaire en production du froid. Ce système de réfrigération est basé sur la technologie de l’éjecto-compression qui propose la compression thermique comme alternative économique à la compression mécanique coûteuse. Le sous-système de réfrigération utilise un appareil statique fiable appelé éjecteur actionné seulement par la chaleur utile qui provient de l’énergie solaire. Il est combiné à une boucle solaire composée entre autres de capteurs solaires cylindro-paraboliques à concentration. Cette combinaison a pour objectif d’atteindre des efficacités énergétiques et exergétiques globales importantes. Le stockage thermique n’est pas considéré dans ce travail de thèse mais sera intégré au système dans des perspectives futures. En première étape, un nouveau modèle numérique et thermodynamique d’un éjecteur monophasique a été développé. Ce modèle de design applique les conditions d’entrée des fluides (pression, température et vitesse) et leur débit. Il suppose que le mélange se fait à pression constante et que l’écoulement est subsonique à l’entrée du diffuseur. Il utilise un fluide réel (R141b) et la pression de sortie est imposée. D’autre part, il intègre deux innovations importantes : il utilise l'efficacité polytropique constante (plutôt que des efficacités isentropiques constantes utilisées souvent dans la littérature) et n’impose pas une valeur fixe de l'efficacité du mélange, mais la détermine à partir des conditions d'écoulement calculées. L’efficacité polytropique constante est utilisée afin de quantifier les irréversibilités au cours des procédés d’accélérations et de décélération comme dans les turbomachines. La validation du modèle numérique de design a été effectuée à l’aide d’une étude expérimentale présente dans la littérature. La seconde étape a pour but de proposer un modèle numérique basé sur des données expérimentales de la littérature et compatible à TRNSYS et un autre modèle numérique EES destinés respectivement au capteur solaire cylindro-parabolique et au sous-système de réfrigération à éjecteur. En définitive et après avoir développé les modèles numériques et thermodynamiques, une autre étude a proposé un modèle pour le système de réfrigération solaire à éjecteur intégrant ceux de ses composantes. Plusieurs études paramétriques ont été entreprises afin d’évaluer les effets de certains paramètres (surchauffe du réfrigérant, débit calorifique du caloporteur et rayonnement solaire) sur sa performance. La méthodologie proposée est basée sur les lois de la thermodynamique classique et sur les relations de la thermodynamique aux dimensions finies. De nouvelles analyses exergétiques basées sur le concept de l’exergie de transit ont permis l'évaluation de deux indicateurs thermodynamiquement importants : l’exergie produite et l’exergie consommée dont le rapport exprime l’efficacité exergétique intrinsèque. Les résultats obtenus à partir des études appliquées à l’éjecteur et au système global montrent que le calcul traditionnel de l’efficacité exergétique selon Grassmann n’est désormais pas un critère pertinent pour l'évaluation de la performance thermodynamique des éjecteurs pour les systèmes de réfrigération.

Optimisation de l’extraction de lumière de scintillation dans les matrices de détecteurs pixellisés pour des applications en tomographie d’émission par positrons (TEP) et en tomodensitométrie (TDM)

Résumé : Les performances de détecteurs à scintillation, composés d’un cristal scintillateur couplé à un photodétecteur, dépendent de façon critique de l’efficacité de la collecte et de l’extraction des photons de scintillation du cristal vers le capteur. Dans les systèmes d’imagerie hautement pixellisés (e.g. TEP, TDM), les scintillateurs doivent être arrangés en matrices compactes avec des facteurs de forme défavorables pour le transport des photons, au détriment des performances du détecteur. Le but du projet est d’optimiser les performances de ces détecteurs pixels par l'identification des sources de pertes de lumière liées aux caractéristiques spectrales, spatiales et angulaires des photons de scintillation incidents sur les faces des scintillateurs. De telles informations acquises par simulation Monte Carlo permettent une pondération adéquate pour l'évaluation de gains atteignables par des méthodes de structuration du scintillateur visant à une extraction de lumière améliorée vers le photodétecteur. Un plan factoriel a permis d'évaluer la magnitude de paramètres affectant la collecte de lumière, notamment l'absorption des matériaux adhésifs assurant l'intégrité matricielle des cristaux ainsi que la performance optique de réflecteurs, tous deux ayant un impact considérable sur le rendement lumineux. D'ailleurs, un réflecteur abondamment utilisé en raison de ses performances optiques exceptionnelles a été caractérisé dans des conditions davantage réalistes par rapport à une immersion dans l'air, où sa réflectivité est toujours rapportée. Une importante perte de réflectivité lorsqu'il est inséré au sein de matrices de scintillateurs a été mise en évidence par simulations puis confirmée expérimentalement. Ceci explique donc les hauts taux de diaphonie observés en plus d'ouvrir la voie à des méthodes d'assemblage en matrices limitant ou tirant profit, selon les applications, de cette transparence insoupçonnée.